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看好電動車應用趨勢 充電基礎建設發展快跟上
世界各地目前競相將燃油車汰換為電動車，可預期電動車的採用率將大幅躍升。但電動車若要快速提升採用率，充電站的數量也必須大幅成長，超越目前的部署規模。本文將調查電動車採用率的大幅提升，對配電基礎建設造成的需求，以及規畫電動車充電基礎架構時必須納入的一些考量因素。
電動車成長預測
有關電動車的討論通常一開始會先從驚人的成長率統計數據談起，講到電動車的預測銷售量總是很誘人。以Energy Innovation組織提出的一項數據為例，在其預測中，到2030年全球電動車的數量將達2億5,000萬輛左右(圖1)，屆時每年銷售量約為4,400萬輛，所有電動車(兩輪車除外)將占全球新增汽車銷售量的30%，這被稱為EV30@30情境。此數據包含油電混合版及純電動版的汽車、巴士和卡車。如此看來，大勢已定，但人們終究還是要面對現實：此成長軌跡的誤差線為何？又有哪些假設和已知的風險？深入來看，這些來自不同出處的成長率資料有部分存在著很大的差異。其所引用的銷售數據各自加入了一些假設，也就是電動車購買力、未來技術的提升、油價、法規獎勵，還有數十項其他因素的變動。此外也大幅取決於中國的採用成長率，畢竟中國在2018年的全球新車銷售量占比高達45%，相較之下歐洲為24%，美國則為22%。而一項出自美國能源資訊局(EIA)《2020年年度能源展望》的數據指出，美國2030年的電動車總銷售量將遠低於100萬輛，如果地理百分比分配率維持不變，這數量只有EIA預測數量的十分之一不到。另外，該展望也預測，燃油車到2050年之後仍將占銷售量大宗，端看讀者要相信哪一個。
圖1 根據Energy Innovation的預測，至2030年全球電動客車銷售量將突破2億5,000萬輛 資料來源：Energy Innovation
電動車採用率影響因素
電動車目前仍相對昂貴，樂觀派的預測假設價格將會隨銷售量和技術的提升而調降，但銷售量要提升，前提是價格要先下跌。這是先有雞，還是先有蛋的問題。有些製造商承認，為了帶動市場，他們幾乎每輛車都是認賠賣出，這絕非好的商業模式，對投資人的耐心也是種考驗。來自政府的壓力是另一項激勵因素，為了減緩氣候變遷，控制污染程度，全世界的掌權者都宣布要在特定日期前實現禁售內燃機引擎(ICE)車輛的決心。這一目標看似聳動，但這大多是指禁售純ICE的車輛，油電混合車則不在禁售名單內。車商也玩同樣的文字遊戲，他們不顧一切地設法不讓其ICE製造設備遭到完全扼殺，因此答應未來在銷售車款中加入100%的電動車系列，但他們其實是指100%純電動車或油電混合車。
另一個會影響電動車價格的因素，則是油價。油價對未來電動車的增幅有很大的影響，截至2020年上半年，原油價格仍持續波動。
儘管世界衛生組織指出全球因空汙而早死的人數多達420萬人，但要是電動車的購買成本和維運成本無法提供足以替代ICE的激勵因素，關於減緩氣候變遷和改善環境的爭論也可能逐漸消退。
里程焦慮
影響電動車成長的一大阻礙，就是關於充電的疑慮。最早的電動車可行駛里程大約只有160公里左右，變成只需行駛短程的特定駕駛人的利基產品，他們開回充電站通常是為了「循環充電」。受技術進步之賜，目前高階車款行駛里程可達約480公里，但焦慮仍存在，因為車主都認為充電點過於稀少。一般電動車沒電「拋錨」，就算有熱心路過車主出借備用電池，也無法讓車子起死回生，這是大家都知道的。
相比於加油站，充電「站」可能數量更少，且間距更遠，但這不過是供需的問題；美國約有2億7,000萬輛汽車和15萬間加油站，以每間加油站有八支加油槍來算，每支加油槍約分配225輛車。相比之下，全球約有500萬輛電動車和約41萬個公共充電點，每個充電站約分配到12輛電動車，兩者的可得性相差18倍。如果將辦公室和家庭充電點算進來，大概每輛電動車可分配到將近一個充電點。
然而不能直接這樣比較。油箱加滿約需要10分鐘，加上稍作休息，再去超商喝個飲料，可能要15分鐘。但是，電動車電池用高速公路休息站的「慢速」充電器可能要好幾個小時才能充飽，假如所有充電點都有人使用，下一個充電站又遠在天邊，這個可得性數據可一點用都沒有。
每個人都想相信未來是電動車的天下，人們可以預期基礎建設也會隨之成長，符合其中一個預期的成長情境，並希望是往好的方向發展。有些地方可能供不應求，有些則供過於求，加上對需求的不確定性，還有各地區的差異性都需要加以考量。可以確定的是，像新車銷售量約60%為電動車的挪威，他們在未來幾年建置的充電點數量，勢必會高過2019年新電動車掛牌數百分比只有1.6%的英國。
供電隱憂
里程是焦慮的來源之一，但人們是不是也該擔憂未來的電力供給？目前電動車充電對電網造成的負載幾乎可省略不計，根據Bloomberg ENF指出，電動車用電量從2018年到2050年將成長57%，但仍只占全球用電需求的9%。到2050年時，美國的電動車用電量將達800至900兆瓦時，而總用電量約為30,000兆瓦時(圖2)。
圖2 Bloomberg ENF估計至2050年時，電動車總用電量將大幅成長 資料來源：Energy Innovation
本文假設技術仍會不斷進展，例如，電動車目前將電池電力轉換為車輪動力的效率只有59%至62%，仍有預期改善的空間(與ICE相比，汽油中的化學能轉換為動力的轉換效率只有17%至21%)。至今針對電動車銷售量和用電量引用的數據皆單純指輕型車(LDV)，如果日後電動卡車問世，這些數據將過於保守。建造所需的充電站和升級電廠基礎建設的時間表，實非政府掌權者在任期內和立即的政治手段所能解決，但電力設備供應商則相信電動車已是勢在必行，並為充足的基本能源供應作好規畫。基礎建設將隨成長中的共同市場而擴展，占比9%的電動車充電量似乎不會成為普遍性的問題。但就配電來說，離車子的充電電纜越近，情況則會有所不同(圖3)。
圖3 高壓電塔的設置對於電動車來說至關重要
配電硬體須符合未來電動車充電需求
從記錄來看，電力需求在夜間較低，負載尖峰約在早上7點人們展開一天的活動時。另一次尖峰則是在傍晚，當人們回到家，暖氣/烹煮器具全開時。在用電組合中加入電動車充電，用電模式將大幅改變，為了讓汽車在隔天早上上班前充飽電，負載尖峰會變成夜間。標準的家用充電器功率約為3kW或7kW，電動車充飽約需6至12小時，插電式混合動力車(PHEV)約需2至4小時，跟徹夜開啟一或兩部高功率暖氣差不多。但是高速充電器的額定功率可能高達22kW，幾乎要達到饋入家庭供電功率的上限，對沒有電動車的尖峰用電量來說普遍過高，當然就24小時的平均用電量來說也高出許多。當擁有電動車的家庭越來越多，對當地的配電網路將造成立即額外的壓力，電線桿上的變壓器將中電壓降壓到家用電壓時，也會不斷發出高分貝的滋滋聲作為抗議。而高電壓配電網路和變電站的處理能力則較佳，因為其是針對工業供電，尖峰發生在不同時段。當地的供電基礎建設可能首當其衝，像是存在重大地區差異的都會公寓可能都有停車空間，但是，電動車的電力無法直接由終端消費者的線路供電。其會在更高的電廠電壓下進行計量和聚合，對家庭用電和工業用電之間的負載，在硬體額定值內進行平衡。路旁和公用的快速充電點也是如此，其負載將直接加諸在高電壓網路上。
使用再生能源達到雙贏
對電動車存在已久的一項爭議，就是它並不是這麼環保，畢竟其充電的電力最終還是來自骯髒的煤炭或燃氣發電機。此問題會隨再生能源使用率提高而改變，但缺點是，太陽能板在晚上不能靠太陽發電，而風機發電又是一種不可預測的能源(圖4)。最理想的作法，就是利用一些能源儲存方法來平衡供電量，像是用湖泊進行水力發電儲能，但此法受限於地理因素。雖然也有一些前景看好的創意，例如將壓縮氣體儲存在岩床內，另外還有一種可能的作法，就是利用電動車內的合併電池組合，將能源輸回電網作為緩衝，然後提供電費上的回饋作為獎勵。
圖4 太陽能供電現階段仍有局限性
要將能源輸回電網，需要具有雙向功能的充電器，技術也早就有了。如果車子閒置不用，電力公司為了調度可從電池抽取電力，之後為電池再次充電，只要車主先在智慧充電器內設定將車充飽電可開出門的時間，對車主幾乎沒有任何影響(圖5)。
圖5 現階段電動車充電技術已為駕駛帶來便利性
隨著電動車採用率不斷提升，市場也期待基礎架構也能跟上其預測成長率的腳步。但是，電動車充電基礎架構的規畫極其複雜，因為有太多消費者和地方上的變數需要考量。可能影響電動車採用率的部分因素包括電動車購買價格、政府的電動車使用獎勵法規、電力供給、再生能源的角色，以及對快速充電站之便利性和可得性的疑慮。有鑑於上述這些因素都可能造成重大影響，對電動車採用率帶來不確定性，因此眾所期待的充電基礎架構究竟能否支撐這些需求，有待日後觀察。
(本文作者任職於貿澤電子)